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洁净技术的创新与突破
2016-06-16
摘要:从紫外线消毒灭菌(UVGI)技术及原理入手,阐述了UVGI特点及效率,UVGI实验效果与应用可得到:UVGI技术完全可以达到甚至超过洁净过滤技术所达到的空气微生物控制指标结论。同时认为,在制药行业空气洁净采用过滤+UVGI方式是更为合理。 关键词: 洁净 卫生 消毒 灭菌 UVGI(紫外线消毒灭菌)
在空气净化领域里,空气净化可分为工业净化和生物净化。工业净化主要指电子、精密工业等生产环境对尘埃的控制,而生物净化还包括对微生物的控制,以达到空气的卫生。卫生是以保证生命安全和健康为目地的,其本质是安全和健康的概念。因此,生物净化领域空气净化的目的,应该是洁净空气的卫生,而不是单纯的尘埃粒子的控制。
与卫生相关的消毒和无菌是定义明确的科学术语。消毒是指杀灭或清除传播媒介上病源微生物,使其达到无害化的处理过程;无菌是可以量化的卫生指标,是指经净化过的空气含有细菌,病毒及其它有害微生物和有害分子的个数。所以,在相关净化领域:如制药生产、食品生产、洁净手术部、甚至公共卫生领域,其区域空气都应该做到空气洁净卫生。
空气乃人类赖以生存的物质。受微生物污染,利用空气传播的疾病是人类健康最大的杀手。历史上的鼠疫、1918年西班牙流感、2003年的SARS,今年的甲型H1N1流感在全球蔓延。它们都对生命与健康造成危害,净化空气也许是当今世界工程师的目标之一。 有大约25%的医疗费用和接近50%的收入损失是由呼吸道疾病所引起的。在美国每年用于急性呼吸道感染的保健费用达300亿美元,由于生病造成误工和生产率下降所带来的损失高达350亿美元。净化空气可以减少损失并提高工作效率,在建筑中精心设计空气净化和消毒系统,就可以保证90%的室内人员免遭危害。 相关有卫生要求的净化行业,洁净卫生空气比控制尘埃粒子更重要。比如,医院、制药、食品等行业,控制微生物细菌、病毒使其达到无菌要求才是空气净化的最终目的。 UVGI与过滤技术的结合,将会减少室内空气中的微生物和VOC,显著改善室内空气品质,增强室内人员健康。 本文从紫外线消毒灭菌(UVGI)技术及原理入手,阐述了UVGI特点及效率,UVGI实验效果与应用可得到:UVGI技术完全可以达到甚至超过洁净过滤技术所达到的空气微生物控制指标结论。同时,高效过滤器是洁净技术的有效手段,但不是唯一手段。可以简单认为:洁净空气=空气卫生≠净化空气;洁净技术=过滤+UVGI。 1紫外线消毒灭菌(UVGI)技术及原理 1.1 UVGI定义 疾病控制及预防中心(CDC)定义术语中,把紫外线消毒灭菌(UVGI)定义为:使用紫外线光辐射进行空气和表面消毒杀菌的技术,即利用紫外线C波段254nm波长产生的紫外光线破坏微生物的DNA或RNA达到消毒杀菌的技术。 1.2 UVGI技术简述 UVGI是一种高效、广谱、无污染、经济简单的实用技术,可广泛应用于对水、空气的消毒杀菌。是一项被医学界公认的最有效的广谱杀菌技术。其在秒时间内可杀灭分布于空气及水中的微生物,还能产生活性氧清新空气,对洁净室来说能增加空气新鲜度、洁净度,真正达到空气品质的经济卫生。
从太阳光分类来看(如图1所示):紫外线按波长分为A、B、C、D四个波段。其中:A波段 320nm~400nm;B波段275nm~320nm;C波段 200nm~275nm,C称消毒紫外线;C波段100nm~200nm ,D称真空紫外线。消毒杀菌用的是C波段紫外线。 紫外线杀菌灯实际上是一种低压汞灯,是利用较低汞蒸汽压10-2Pa被激化而发出紫外光。其发光谱线主要有两条:一条是254nm波长;另一条是185nm波长,这两条都是肉眼看不见的紫外线。 1.3 UVGI原理 1.3.1 254nm的波长紫外线
254nm的波长紫外线有很好的杀菌作用(如图2所示),这是因为细胞对光波的吸收谱线有一个规律,在250~270nm的紫外线有最大的吸收(如图3所示),被吸收的紫外线实际上作用于细胞遗传物质DNA(脱氧核糖核酸)或RNA(核糖核酸),它起到一种光化学作用,紫外光子的能量被DNA中的碱基对吸收,引起遗传物质发生变异,使细菌当即死亡或不能繁殖后代,达到杀菌的目的。 1.3.2 185nm波长紫外线 185nm波长紫外线能产生臭氧(O
3
),臭氧具有强氧化作用,对细菌有极强氧化作用,臭氧氧化分解了细菌内部氧化糖所必须的酶,从而破坏其细胞膜,将其杀死。多余新生态氧原子[O]也会自动合成稳态的氧分子O
2
,不存在任何有毒残留物,故可称无污染消毒剂。臭氧在常温、常压下分子结构极不稳定,很快自行分解成稳态的氧分子O
2
和新生态氧原子[O],臭氧广泛存在于自然界中,雷雨过后的空气有一种“清新”的感觉,是因为空中放电产生臭氧,消灭了空气中的细菌和微生物,净化了空气。
1.3.3臭氧、活性氧的产生 臭氧、活性氧的产生如同大气层中臭氧的产生与分解的循环: (1)UV(185nm)+O
2
→O* + O* (活性氧) (2)O* + O
2
→ O
3
(臭氧) (3)UV(254nm) + O
3
→ O*+O
2
(氧气) 2 UVGI特点及效率 2.1紫外线消毒的特点 (1)高效率杀菌。紫外线对细菌、病毒的杀菌作用一般在1秒内完成。而对传统消毒及臭氧方法来说,要达到紫外线的效果一般需要 20分钟至1小时的时间。 (2)杀菌广谱性。紫外线技术在目前所有的消毒杀菌技术中,杀菌的广谱性是最高的。它对几乎所有细菌、病毒都能达到高效率杀灭。
(3)无二次污染。由于紫外消毒技术不需要加入任何化学药剂,因此它不会对水及周围环境造成二次污染,它是纯物理的消毒方法。 (4)运行维护简单,费用低。由于上世纪90年代对紫外线核心技术的完善,紫外线消毒技术不仅消毒效率是所有消毒手段中最高的,而且其运行维护 简单,运行成本低。因此,其性价比是所有消毒技术中最高的,它既具有其它消毒技术无法比拟的高效率,又具有成本和运行费用低的优点。 2.2紫外线的杀菌效率 紫外线对细菌和病毒的杀灭与紫外线照射剂量有关,照射剂量=照射时间(S)×照射强度(μw/cm
2
),照射剂量理论上一般设计要求大于30000μw/cm
2
如果紫外线强度低,只要时间长,可以达到同样的效果,如果短时间的情况下(较高风速),需选择高强度大功率的紫外线灯。一般情况各种细菌和病毒所需杀灭的照射剂量不同,在被杀灭点测出照射强度就可计算出照射时间,由于紫外线会杀死细胞,因此紫外线消毒时要注意不能直接照射到人的皮肤,尤其是人的眼睛,紫外线杀菌灯点亮时不要直视灯管,由于玻璃不透短波紫外线,戴普通眼镜可避免眼睛受紫外线伤害。 在紫外辐射强度30,000μW/cm
2
下,UVGI技术对常见细菌病毒的杀菌效率如表1所示。UVGI致微生物的灭杀剂量如表2所示。
3 UVGI实验效果 (1)加拿大科学家的“UVGI对办公建筑中央空调系统的工作人员健康和良好状态的研究”(2003年,英国“柳叶刀医学杂志”)。该研究采用双盲法,多重交叉试验。参与研究的共有771名员工,来自3幢办公大楼。紫外灯照射的部位是大楼空调通风系统的表冷器和冷凝水盘。紫外灯开启四周,随后关闭12个星期。这一循环在将近一年的时间中重复三次。研究发现:紫外灯使通风系统被照射的表面部位病菌的集聚量减少了99%,员工出现各种病症的几率总体下降了20%,呼吸道病症下降40%,粘液问题下降了30%,对有过敏症状的员工及从来不吸烟的人受益最大。随着紫外灯的开启,工作时无精打采的几率可以减少一半.
(2)UVGI除了有以上有效控制病状建筑综合症的发生的优点外,还具有显著空调节能优点。在空气处理机组安装紫外线灯管(如图4所示),经照射后的表冷器无霉菌生长,无微生物粒子阻塞换热器风道,风机的能耗和换热效率均提高20%左右。在美国空气处理机组采用UVGI技术,已经成为标准设计。例如:1998年起美国佛罗里达州的医院空调系统开始采用UVGI技术,以控制日益严重的表冷器霉菌污染。在佛罗里达州一所有27年历史的医院,空气处理机组的表冷器和凝结水盘上,有大量可见霉菌繁殖,表冷器表面有50%面积被霉菌堵塞。安装紫外灯几周后,表冷器的空气压力损失从46mm(H
2
O)降低到18 mm(H
2
O),通过盘管的风速从安装前的1.17m/s增加到2.64m/s,盘管和凝结水盘非常干净,没有可见的霉菌污染,甚至风道里霉菌污染也大大减少了。对一组空气处理机组安装UVC灯的费用为2000美元,但年空调能耗节约为4867美元。
(3)广东佛山某医院空气动态检测数据:在没有任何过滤装置的CDC烧伤病房,36m
2
房间内有多名病人与家属,未安装UVGI设备前,空气细菌浓度814cfu/m
3
,严重超标状态。安装后,减少到138cfu/m
3
的良好卫生状态。其空气消毒现场试验结果报告如图5所示。比较我国卫生部对烧伤病房的空气静态细菌数指标为≤200cfu/m
3
合格,《洁净手术部建筑技术规范》对三级洁净度附房静态空气细菌指标≤150cfu/m
3
标准,可以说UVGI的空气灭菌能力完全达到了我国的医院空气卫生标准。
(4)荷兰Utrecht市大学医学中心儿童骨髓移植病房,病房尺寸为4m×3m=12m
2
;房间净高2.3m。采用了2个UVGI装置(如图6所示),一个装在送风管道上,一个室内循环使用,换气次数为22次。2007年3月的检测(如表3所示)表明,室内空气的静态无菌指标为0cfu/m
3
,动态空气无菌指标6cfu/m
3
,明显优于100级病房我国卫生部消毒规范静态无菌指标。
4 UVGI技术的应用 紫外线消毒杀菌UVGI技术用途很广,其能杀菌消毒,净化空气,消除霉味、异味VOC, 次外还能产生一定量的负氧离子,经紫外线消毒的房间,空气特别清新。在公共场合,经紫外线消毒,可避免一些病菌经空气传播或经物体表面传播。 表4为空气净化常用消毒技术与UVGI综合性能比较,通过比较得到以下结论:UVGI技术完全可以达到甚至超过洁净过滤技术所达到的空气微生物控制指标。
过滤技术应用广泛,任何净化空调设计中,大多数都是唯一重要手段,规范也是这样要求的,我们的设计人员没有错。但是,UVGI技术的发展,它给予了我们工程技术人员突破与创新思维。美国堪萨斯大学2008年发表的对UVGI应用评估报告中提出:UVGI技术与过滤技术结合可以提高和确保灭菌效率。与F7-F9中效过滤技术结合的UVGI系统,可以达到与采用高效过滤器同等的除菌效果,结果减少了能耗。 对医院空气卫生而言,最主要的目的是预防感染和传染疾病。在绝大多数情况下,引起医院感染事故的是微生物,而不是灰尘。医院需要控制空气达到无菌卫生指标而不是洁净度指标。少了一个控制指标,其处理技术手段就简单多了。通过UVGI技术能达到空气无菌,它不需要采用特别的层流气流组织来稀释或推出无菌的尘粒,因为自然存在的室内外空气尘埃、气溶胶及其自然流动并不影响人类的健康。所以,采用空气灭菌技术实现空气无菌,比医院目前采用的洁净技术能大大降低建设和运行成本。如果过分强调高效过滤洁净技术的应用,以我国绝大多数乡镇医院经济实力,相信大多数医院没有必要安装高效过滤洁净空调的现实。空气洁净过滤技术是实现空气无菌卫生的一种间接手段,但不是唯一手段。如前所述,有多种技术可实现空气除菌,也将会有新的空气杀菌技术产生。 大量案例证明了UVGI灭菌管技术是一项重要的空气消毒技术,它价格便宜、安装简便、不占空间、能耗低、灭菌效果显著、无臭氧产生。对制药等行业洁净生产而言,可根据不同洁净要求,对UVGI与中效过滤器进行组合使用,在达到过滤标准的同时达到更高的除菌效果;或与高效过滤器组合使用,在达到过滤标准同时达到更高的无菌标准。可以说,在制药行业空气洁净采用过滤+UVGI方式是更为合理、更高提高了生产区域洁净质量,起着双重控制的作用。也可以说,过滤+UVGI方式将是制药空气净化技术的创新与突破。
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